Што прави земјата и на што придонесува човештвото? Одговори од термодинамиката на
Од Аксел Клејдон
2.1. Концептот на ентропија
Концептот на ентропија има прецизна дефиниција од статистичката физика. Во светот на квантната физика, енергијата се јавува во дискретни величини како кванти. Овие енергетски кванти можат да се појават во форма на зрачење (т.н. фотони), тие можат да бидат поврзани со различни состојби на електрони во атоми и молекули, или со различни начини на движење или вибрации на молекулите. Овој поглед на енергијата е опишан и како микроскопски свет. Бидејќи енергијата се јавува во квантизирана форма, можеме да ги изброиме различните можности на дистрибуција на одредена количина на енергија и на тој начин да доделиме веројатности. Ентропијата потоа се дефинира како веројатност со која се дистрибуира енергија во микроскопскиот свет.
Најверојатната дистрибуција е тогаш состојба на максимална ентропија.
2.2. Главните закони на термодинамиката
Со овој опис на ентропија во нејзините три различни форми, сега можеме да се свртиме кон главните термодинамички принципи. Ги гледам овде во поедноставена форма гледајќи ги во стационарна состојба во која промените со текот на времето, интегрирани во доволно долги временски скали, се откажуваат едни со други. Ова го поедноставува описот.
Процесите на Земјиниот систем обично вклучуваат неизолирани или отворени системи кои разменуваат енергија и/или маса со нивната околина. Ова значи дека за формулирање на главните клаузули треба да ги разгледаме протоците на размена на различна ентропија во описот.
Првиот закон за термодинамика може да се изрази на следниов начин
(1)
(2)
Снабдувањето и отстранувањето на ентропијата е прикажано овде за протокот на топлина Jinин и Јаут, кои додаваат или отстрануваат топлина на температури Калај и Тоут. Тогаш тековите на ентропијата се дадени со изразот Ј/Т. Вториот закон тогаш бара производството на ентропија во системот да биде поголемо или еднакво на нула, т.е. σ ≥ 0, но не може да стане негативен.
Овие два главни принципа на термодинамика, претставени во поедноставена форма со равенки (1) и (2), важат за сите форми на енергија и ентропија и процеси на земјата. Динамиката на системот на земја во крајна линија е изразена со фактот дека процесите го следат вториот закон, ги намалуваат градиентите и генерираат ентропија, што потоа се прикажува во билансот на ентропија како σ> 0. Ова е можно во стабилна состојба кога континуирано се снабдува енергија со ниска ентропија во системот (преку терминот Jin/Tin) и се отстранува енергија со висока ентропија (преку терминот Jout/Tout). Ентропијата што потоа може да се генерира во системот е опишана погоре
(3)
каде што ја претпоставив стационарноста на девизниот тек =ин = Јоут. Во овој случај, ние се занимаваме со систем кој е во состојба на термодинамичка нерамнотежа.
Исто така, од равенката (3) можеме да видиме дека систем без проток на размена (Jin = Jout = 0) не може да генерира ентропија во стационарна состојба. Тогаш е во состојба на максимална ентропија и термодинамичка рамнотежа. Значи, тековите на размена на различна ентропија во форма на зрачење, масовни текови во различни хемиски форми или топлина одржуваат состојба на термодинамичка нееквилибриум.
Слика 2: Патеката на енергијата од внатрешноста на сонцето преку сончево зрачење, апсорпција од земјата и повторна емисија на поладни температури го следи вториот закон за термодинамика до состојби на повисока ентропија.
Слика 3: Производството на електрична енергија во електрана е пример за тоа како се создава слободна електрична енергија од топлина. Процесите на физичкиот земјен систем работат на сличен начин и генерираат различни форми на слободна енергија во земјиниот систем.
(4)
Дисипацијата е поставена на D = 0 бидејќи слободната енергија во форма на електрична енергија се претвора само во топлина надвор од електраната.
Горната граница на максималната количина на слободна енергија што може да се генерира (т.е. каде Г е максимална) е дадена со вториот закон (Равенка 2) Идеален случај е оној во кој не се создава ентропија во процесот на генерирање, т.е. σ = 0. Потоа, може да се користи равенка 2 за да се формулира Jout како функција на ofин, Тин и Tout:
(5)
Користено во равенката (4), ова резултира во изразување на општата граница на моќта на Карно што може да се генерира максимум:
(6)
Вториот израз на десната страна со температурите обично се нарекува ефикасност на Карно.
Тука треба да се напомене дека, за разлика од учебниците, изведбата опишана овде не бара никакви специфични претпоставки за процесот на основниот циклус. Ефикасноста на Карно и поврзаната граница на генерирање бесплатна енергија следат директно од комбинацијата на првиот и вториот закон за термодинамика.
Ова општо изведување на границите на енергетска конверзија е применливо не само за топлината, туку и за зрачењето. Изразите за флукс на зрачење ентропија се малку различни (види, на пример, Кабелац, 1994). Примената на првиот и вториот закон за зрачење доведува до теоретски горни граници и максимална ефикасност во користењето на сончевата енергија, на пр. B. преку фотоволтаици. Бидејќи сончевото зрачење е поврзано со многу висока температура на емисија, тековите на ентропијата се многу ниски. Максималната ефикасност на директната употреба на сончевата енергија, т.е. без средни чекори во кои сончевата енергија први се претвори во топлина, е многу висока - 73-95%, со максимална ефикасност во зависност од видот на користеното зрачење (директно или дифузно).
3. Што прави земјата?
Во земниот систем, енергијата се генерира според истите правила на термодинамика (Слика 3) Изворот на енергија за енергетски реакции е апсорбираното сончево зрачење и извозот на ентропија се остварува преку емисија на копнено зрачење. Климатскиот систем, биосферата и човечката технологија можат да генерираат енергија од сончево зрачење на различни начини, преку различни процеси и со различни максимални степени на ефикасност. Резултирачката динамика во системот ги претвора генерираните енергии во други форми, а тоа потоа може да влијае на условите на планетарната граница, како што се својствата на зрачење. Оваа хиерархиска структура на енергетски претворања и соодветните последици е во Слика 4 сумирани.
Слика 4: Сончевото зрачење додава енергија на земјата со мала ентропија, која преку различни процеси се претвора во други форми. Како резултат на динамиката се дистрибуира енергија и се менуваат зрачењето и материјалните својства на планетата, што доведува до интеракции помеѓу процесите во земјиниот систем и планетарните гранични услови. (Според Клејдон 2010, 2012, 2016 година).
(7)
Тука, двата поими од левата страна на равенката ја загреваат површината, со Rs како апсорбирано сончево зрачење, додека Rl, d го опишува таканареченото атмосферско контра-зрачење, т.е. копненото зрачење што се емитувало од атмосферата до површината. Двата поими од десната страна ја ладат површината на земјата преку емисија (со Rl, u = σ Ts 4 опишано со законот Стефан-Болцман) и преку конвективниот проток на топлина J.
Заради едноставност, ги сумираме двата поими на копнено зрачење и ги линеаруваме во однос на температурата на зрачење Ta:
(8-ми)
каде Rl, 0 е постојан термин (со околу Rl, 0 = 73 W m -2 за денешни услови), kr = 4 σ Ta 3 со σ = 5,67 x 10 -8 W m -2 K-4 (Стефанот- Болцманова константа), а Ta = 255K е температура на зрачење на земјата.
Ако го комбинирате сега Равенки (7) и (8-ми), тогаш може да се забележи намалување на температурата на површината со зголемување на протокот на топлина J директно (видете ја слика 5б):
(9)
Ако го користите овој израз и го вметнете во границата Карно (равенка 6), добивате израз за моќноста што варира приближно квадратно со протокот на топлина:
(10)
Овој израз има јасен максимум во перформансите (Слика 5б, црна линија), што е приближно на оптимален проток на топлина од
(11)
Слика 5: Опис на вертикалното движење на воздухот (конвекција) како резултат на „електрична централа“ (а., Горе), што произведува енергија од разликата во температурата помеѓу површината и атмосферата со цел да се генерира движење на воздухот. Комбинацијата на главните закони на термодинамиката доведува до фундаментално ограничување за тоа колку слободна енергија може да се генерира. (б., во средина) Колку е поголем протокот на топлина што се влева во „атмосферската централа“, толку подобро се лади површината (црвена линија), така што се развива максимум на излез (црна линија). Поделбата на енергетските текови на површината, проценета од максималната моќност, одговара многу добро на набудувањата (сино обележани области во б. И в., Подолу).
Литература:
Аткинс, П и Де Пола, Ј. (2010): Физичка хемија. 9-ти едн. Универзитетот Оксфорд, Прес, Оксфорд и Newујорк.
БП (2018). Статистички преглед на БП на светската енергија. Технички извештај. БП П.Л.Ц., Лондон, Велика Британија.
Crutzen, P.J. (2002): Геологија на човештвото. Природа 415, 23.
Фоли, Aеј, Дефрис, Р., Аснер, ГП, Барфорд, Ц., Бонан, Г., Карпентер, С.Р., Чапин, Ф.С., Коу, МТ, Дејли, ГЦ, Гибс, Х.К., Хелковски, Ј.Х., Холовеј, Т. ., Хауард, ЕА, Кучарик, ЦЈ, Монфреда, Ц., Пац, ЈА, Прентис, ИЦ, Раманкути, Н. и Снајдер, ПК (2005): Глобални последици од користењето на земјиштето. Наука, 309, 570-574.
Haberl, H, Erb, KH, Krausmann, F, Gaube, V, Bondeau, A, Pluttzar, C, Gingrich, S, Lucht, W, and Fischer-Kowalski, M. (2007): Квантифицирање и мапирање на човечката присвојност на нето примарна продуктивност во копнените екосистеми на земјата. Проц. Натл Акад Наука САД 104, 12942-12947.
Кабелац, С. (1994): Термодинамика на зрачење. Виег, Брауншвајг и Визбаден.
Клајдон, А. (2010): Lifeивот, хиерархија и термодинамичка машинерија на планетата Земја. Физика на животот Осврти 7, 424-460.
Клајдон, А. (2012а): Како Земјиниот систем генерира и одржува термодинамички диеквилибриум и што значи тоа за иднината на планетата? Филозофски трансакции на Кралското друштво во Лондон, 370 (1962), 1012-1040. дои: 10.1098/rsta.2011.0316.
Клајдон, А. (2012б): Што прави земјата? Физика во наше време, 43 (3), 136-144. дои: 10.1002/piuz.201201294 година.
Kleidon, A., Renner, M. (2013): Едноставно објаснување за чувствителноста на хидролошкиот циклус на површинската температура и сончевото зрачење и неговите импликации за глобалните климатски промени. Динамика на Земјиниот систем, 4, 455-465. дои: 10.5194/esd-4-455-2013.
Kleidon, A., Renner, M., Porada, P. (2014): Проценки на климатолошката енергија на површината на земјата и рамнотежата на водата добиени од максималната конвективна моќност. Науки за хидрологија и земјен систем, 18, 2201-2218. дои: 10.5194/хес-18-2201-2014.
Kleidon, A., Renner, M. (2017): Објаснување за различните чувствителности на климата на копнените и океанските површини засновани на дневниот циклус. Динамика на Земјиниот систем, 8 (3), 849-864. дои: 10.5194/esd-8-849-2017.
Kleidon, A. (2016): Термодинамички основи на Земјиниот систем. Универзитетски прес Кембриџ, Кембриџ, Велика Британија.
Lotka, A. J. (1922a): Придонес кон енергетиката на еволуцијата. Проц. Натл Акад Наука САД, 8, 147-151.
Lotka, A. J. (1922b): Природна селекција како физички принцип. Проц. Натл Акад Наука САД, 8, 151-154.
Lotka, A. J. (1925): Елементи на физичката биологија. Вилијамс и Вилкинс, Балтимор.
Одум, Е. П. (1969): Стратегијата за развој на екосистемот. Наука, 164, 262-270.
Odum, H. T., and Pinkerton, R. C. (1955) Time’s speed регулатор: оптимална ефикасност за максимално излегување на електрична енергија во физички и биолошки системи. Американски научник 43, 331-343.
Оствалд, В. (1909): Енергетски основи на културолошки студии. Клинкхард, Лајпциг.
Смил, В. (1999) Енергии: Илустриран водич за биосферата и цивилизацијата. МИТ Прес, Кембриџ, м-р, САД.